Беларусь министерство образования и науки российской федерации государственное учреждение высшего профессионального образования “белорусско-российский университет” удк 621.787.4 камчицкая ирина дмитри

1 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ “БЕЛОРУССКО-РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ” УДК 621.787.4 КАМЧИЦКАЯ ИРИНА ДМИТРИЕВНА УПРОЧНЯЮЩАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ НАПРАВЛЯЮЩИХ СТАНИН СТАНКОВ НА ОСНОВЕ ЛЕЗВИЙНОЙ И ПНЕВМОВИБРОДИНА МИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ Специальность 05.02.08 «Технология машиностроения» Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Могилев – 2006 2 Работа выполнена в государственном учреждении высшего профессионального образования «Белорусско-Российский университет» Научный руководитель - доктор технических наук, профес сор Анатолий Петрович Минаков, ГУВПО «Белорусско-Российский университет», г. Могилев.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор Лев Михайлович Кожуро, Белорусский государственный аграрный технический университет, г. Минск - кандидат технических наук, доцент Гарлачев Николай Семенович, ГУВПО «Белорусско-Российский университет», г. Могилев.

Оппонирующая - Белорусский национальный технический организация университет, г. Минск.

Защита диссертации состоится «22» декабря 2006 г. на заседании совета по защите диссертаций К 02.18.01 в государственном учреждении высшего профессионального образования «Белорусско-Российский университет» по ад ресу: 212005, г. Могилев, пр-т Мира, 43.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке государственного учреждения высшего профессионального образования «Белорусско-Российский университет».

Автореферат разослан «_» _ 2006 г.

Ученый секретарь Совета по защите диссертаций доктор физико-математических наук В.И. Борисов ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы диссертации Износ направляющих поверхностей станин металлорежущих станков яв ляется одной из основных причин потери станком начальной точности в про цессе его эксплуатации. Поэтому повышение износостойкости направляющих станин станков, как при ремонте, так и при их изготовлении, является одной из актуальных задач машиностроительного производства.

Большой резерв повышения износостойкости поверхностей направляю щих станин станков заложен в финишной упрочняющей обработке поверхност ным пластическим деформированием (ППД) – накатывании роликами (шари ками) с постоянным усилием (жесткими инструментами). Возникающие в по верхностном слое остаточные напряжения сжатия способствуют повышению долговечности деталей. Тем не менее, упрочнение поверхности обкатными ин струментами, несмотря на свои преимущества, имеет недостатки, ограничива ющие его широкое использование:

1) относительно низкую производительность, 2) при обкатывании поверхности, материалом которой является чугун, давление на деформирующий элемент не должно превышать 750 Н, обработка должна проводиться за 1 рабочий ход, в противном случае возможен перена клеп;

3) получение слишком гладкой поверхности, неспособной удерживать смазку.

Разновидностью ППД является вибрационное накатывание, предложен ное проф. Ю.Г. Шнейдером, при котором на поверхности трения скольжения деталей, наряду с образованием тонкого пластически деформированного упрочненного слоя металла, создается регулярный микрорельеф в виде канавок сферического профиля глубиной до 20 мкм с шероховатостями, однородными по размерам, ширине и взаиморасположению. В результате вибрационного накатывания в сопряженных направляющих достигается повышение износо стойкости и противозадирной стойкости, улучшение и сокращение времени приработки сопряженных поверхностей трения, улучшение плавности переме щения подвижных деталей, уменьшение потерь на преодоление сил трения и повышение контактной жесткости, повышение маслоемкости поверхности тре ния. Однако процесс вибрационного накатывания производится весьма гро моздкими специальными приспособлениями и является малопроизводитель ным.

В 1986 г. авторы П.И. Ящерицын и А.П. Минаков предложили способ импульсно-ударной обработки поверхностным пластическим деформированием плоских поверхностей, обладающий всеми преимуществами вибрационного накатывания по достигаемому результату, но превосходящий его на порядок по производительности. Кроме того, инструмент для осуществления импульсно ударной упрочняющей обработки плоских поверхностей достаточно прост, надежен и долговечен в эксплуатации.

Изложенное явилось основанием для создания, разработки и исследова ния нового процесса, позволяющего усовершенствовать существующую техно логию ремонта направляющих станин станков.

Связь работы с крупными научными программами, темами Научные исследования по теме диссертации проводились в рамках науч но-исследовательских работ министерства образования Республики Беларусь по теме «Совершенствование технологии ремонта направляющих поверхностей станин станков для повышения их износостойкости» (2003 г.) № ГР 200032379.

Цель и задачи исследования Целью работы является создание способа и инструмента и разработка эффективной технологии восстановления направляющих станин токарных станков нормальной точности, обеспечивающей снижение трудоемкости и по вышение износостойкости направляющих импульсно-ударной пневмовиброди намической обработкой. Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:

1.Создание способа и разработка инструмента для пневмовибродинами ческой обработки плоских поверхностей с проведением теоретических иссле дований его технической эффективности по КПД и энергоемкости рабочего процесса.

2. Исследование влияния режимов пневмовибродинамической обработки на параметр шероховатости обработанных плоских поверхностей.

3. Исследование основных характеристик профиля рабочих поверхностей модельных образцов заготовок направляющих станин станков после пневмо вибродинамической обработки.

4. Проведение триботехнических исследований модельных образцов за готовок направляющих станин станков.

5. Внедрение результатов исследований в производство.

6. Проведение натурных испытаний для подтверждения повышения изно состойкости направляющих станин токарных станков, отремонтированных по разработанной технологии по сравнению с заводской технологией (сухое шли фование с последующим подшабриванием поверхности направляющей для обеспечения точности).

Объект и предмет исследования Объектом исследований являются направляющие поверхности станин то карных станков нормальной точности, восстановленные по традиционной тех нологии (шлифование с последующим подшабриванием) и по усовершенство ванной технологии ремонта с использованием тонкого фрезерования фрезой с эльборовой вставкой с последующей импульсно-ударной пневмовибродинами ческой обработкой. Предметом исследований является новая технология ре монта направляющих станин.

Методология и методы проведенного исследования Проверка адекватности результатов моделирования осуществлялась на основе дисперсионного анализа, путем оценки систематической погрешности, вносимой моделью и случайной погрешности наблюдений.

Экспериментальные исследования разработанной технологии ремонта и ее технологических возможностей на базе накатника для пневмовибродинами ческой обработки проводили с использованием технологического оснащения в ремонтно-механическом цехе РУП завод «Могилевлифтмаш».

Обработка результатов полнофакторных экспериментов проводилась на основании методики выбора и оптимизации контролируемых параметров тех нологических процессов РДМУ 109-77 с помощью разработанной программы в среде Borland Delphi4. процесса ИУ ПВДО плоских поверхностей, получены уравнения регрессии, позволяющие производить выбор оптимальных режимов обработки.

Измерение параметра шероховатости Ra (в мкм) обработанных поверхно стей модельных образцов заготовок проводили на профилометре 296 завода «Калибр» (г. Москва) лаборатории линейных и угловых измерений РУП завод «Могилевлифтмаш».

Исследования эксплуатационных свойств обработанных поверхностей модельных образцов заготовок определяли с использованием автоматизирован ной системы «Form TalySurf Series 2» фирмы Taylor Hobson на ГП «БЕЛАЗ», г. Жодино.

Триботехнические характеристики опытных образцов определяли по ме тодикам, разработанным в ИМИНМАШ НАН Беларуси.

Научная новизна и значимость полученных результатов состоит в следующем:

1. На основе математических зависимостей, определяющих силу удара, диаметр отпечатка деформирующего элемента (шара) в поверхности (диаметр лунки), глубину упрочненного слоя, разработаны методики оценки технической эффективности инструментов для импульсно-ударной пневмовибродинамиче ской обработки по коэффициенту полезного действия и энергоемкости рабоче го процесса. Методики позволили разработать усовершенствованную кон струкцию инструмента для импульсно-ударной пневмовибродинамической об работки плоских поверхностей, производительность которого по сравнению с инструментом прототипом повысилась в 1,5 раза, расход сжатого воздуха сни зился в 2,5 раза, общий КПД составил 26%, что в 1,6 раза выше, чем у накатни ка-прототипа.

2. На основе исследований фазового состава, микротвердости поверхност ных слоев модельных образцов заготовок направляющих станин станков (СЧ ГОСТ 1412-85), установлено, что пневмовибродинамическая обработка приво дит к увеличению микротвердости до 3800-4000 МПа, сопровождается измель чением частиц графита и цементита, а также приводит к увеличению плотности дислокаций в поверхностных слоях.

3. На основе проведенных исследований разработан способ восстановле ния направляющих станин станков, заключающийся в том, что после чистовой и тонкой лезвийной обработки осуществляют упрочняющую пневмовиброди намическую обработку. Получены положительные результаты натурных испы таний направляющих станин токарных станков мод. 16К20Ф3, восстановлен ных по новой технологии в условиях РУП завод «Могилевлифтмаш», показав шие повышение срока службы станков в 1,6 раза, снижение трудоемкости ре монта в 2 раза по сравнению с заводской технологией ремонта (сухим шлифо ванием с последующим подшабриванием поверхности).

Практическая и экономическая значимость полученных результа тов.

Разработан способ и на его базе новая, эффективная и ресурсосберегаю щая технология восстановления направляющих станин станков, обеспечиваю щая снижение трудоемкости ремонта в 2 раза и увеличение износостойкости в 1,6 раза. Разработан простой и надежный инструмент, пригодный для исполь зования в ремонтном производстве для упрочняющей пневмовмбродинамиче ской импульсно-ударной обработки направляющих поверхностей станин стан ков. Выполнена опытно-промышленная проверка и внедрение новой техноло гии ремонта с использованием упрочняющей пневмовибродинамической им пульсно-ударной обработки направляющих станин станков на Республикан ском унитарном предприятии завод «Могилевлифтмаш».

Данная технология за счет повышения износостойкости направляющих станин станков позволит машиностроительным заводам существенно повысить срок службы находящегося в эксплуатации металлорежущего оборудования, не прибегая к значительным финансовым затратам по приобретению нового, сни зить затраты и трудоемкость ремонта и увеличить продолжительность межре монтного цикла. Экономический эффект от использования новой технологии составляет 2,4 млн. руб. (в ценах 2004 г.) из расчета 13 ремонтируемых станков в год.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

1. Методики оценки технической эффективности инструментов для им пульсно-ударной пневмовибродинамической обработки по коэффициенту по лезного действия и энергоемкости рабочего процесса.

2. Результаты исследований фазового состава, микротвердости поверх ностных слоев модельных образцов заготовок направляющих станин станков (СЧ 20 ГОСТ 1412-85).

3. Способ восстановления направляющих станин станков, заключающий ся в том, что после чистовой и тонкой лезвийной обработки осуществляют упрочняющую пневмовибродинамическую обработку.

Личный вклад соискателя.

Опубликованные по теме диссертации работы выполнены автором лично и в соавторстве. Научному руководителю принадлежит основная идея работы.

Основными соавторами по опубликованным работам являются профессор Минаков А.П., инженер Ящук О.В., зав. лабораторией "Физическое материало ведение" Института механики и надежности машин (ИМИНМАШ) НАН Бела руси к. ф.-м. н. Кукареко В.А. В опубликованных работах автор осуществлял постановку задач, участвовал в теоретическим и экспериментальных исследо ваниях, в формулировке выводов по результатам диссертационной работы. Та ким образом, автором лично разработана методика оценки технической эффек тивности инструментов для импульсно-ударной пневмовибродинамической обработки по энергоемкости рабочего процесса. Проведена экспериментальная проверка полученных математических зависимостей для массового расхода сжатого воздуха, скорости вращения шаров-ударников, размера отпечатка (диаметра лунки), выполнена параметрическая оптимизация режимов процесса ИУ ПВДО направляющих станин станков.

В диссертации приведены ссылки на работы других авторов, используе мые соискателем, и на собственные публикации. Результаты научных исследо ваний, приведенные в диссертации, получены соискателем лично.

Апробация результатов диссертации.

Материалы диссертации докладывались и обсуждались на международ ных научно-технических конференциях: «Создание и применение высокоэф фективных наукоемких ресурсосберегающих технологий, машин и комплек сов» в Могилевском государственном техническом университете (2001 г);

«Прогрессивные технологии, машины и механизмы в машиностроении» в Ка лининградском государственном техническом университете (2002 г).;

«Совре менные технологии, материалы, машины и оборудование» в Могилевском гос ударственном техническом университете (2002 г);

«Материалы, оборудование и ресурсосберегающие технологии» в Белорусско-Российском университете (Мо гилев, 2004 г.).

Опубликованность результатов. Результаты диссертации опубликованы в 3 статьях в научно-технических журналах, включенных в перечень изданий для опубликования результатов диссертационных исследований, 6 статьях в сборниках научных статей, 4 тезисах докладов на научно-технических конфе ренциях и 2 патентах РБ, 2 свидетельств на полезную модель РФ. Общее коли чество страниц опубликованного материала – 41.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, пяти глав, заключения, списка использованных источ ников из 100 наименований, 5 приложений. Полный объем диссертации состав ляет 125 стр., в том числе содержит 118 страниц текста, 53 рисунков, 17 таб лиц, объем приложений на 7 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определены цель и задачи исследования, сформулированы научная новизна и практическая значимость полученных результатов. Приводятся положения, вы носимые на защиту, и краткая аннотация работы.

В первой главе приведен обзор исследований, посвященных условиям эксплуатации и износу направляющих станин токарных станков. Рассмотрены существующие способы ремонта направляющих станин станков. С целью си стематизации разнообразных способов ремонта направляющих станин станков, разработана их классификация.

Анализ рассмотренных способов ремонта направляющих станин станков позволяет сделать вывод о том, что в настоящее время не существует простой, надежной и эффективной технологии ремонта, которая позволяет существенно повысить износостойкость направляющих станин станков в условиях ремонт ной базы предприятия, не прибегая к серьезным материальным затратам.

Решением данной проблемы стала разработка новой технологии ремонта направляющих станин, включающая в себя одну операцию механической обра ботки, содержащую три технологических перехода, осуществляемые за один установ заготовки на продольно-строгальном или продольно-фрезерном стан ках:

1. Черновая лезвийная обработка однозубой фрезой «летучкой», осна щенной вставкой (ножом) из эльбора, устанавливаемой на валу шлифовальной головки продольно-строгального или на шпинделе продольно-фрезерного стан ка.

2. Тонкая лезвийная обработка упомянутой выше фрезой.

3. Упрочняющая импульсно-ударная пневмовибродинамическая обработ ка (ИУ ПВДО) пневматическим шариковым накатником, устанавливаемым в резцовой головке продольно-строгального или на шпинделе продольно фрезерного станка.

Учитывая, что рекомендации по использованию тонкого эльборового фрезерования достаточно полно представлены в технической литературе, науч ный интерес представляют исследования эффективности импульсно-ударной пневмовибродинамической обработки в целях повышения износостойкости направляющих станин станков после ремонта.

Во второй главе приведены теоретические исследования упрочняющей импульсно-ударной пневмовибродинамической обработки плоских поверхно стей.

В основе способа упрочняющей импульсно-ударной пневмовибродина мической обработки лежит механизм импульсного воздействия рабочих тел на обрабатываемую поверхность, имеющих многоосное вращение относительного собственного центра масс и перемещение в турбулентном кольцевом потоке сжатого воздуха, находящегося в состоянии адиабатического истечения при выходе из сопел камеры термодинамической системы. Разнонаправленное си ловое воздействие рабочих тел на исходный микрорельеф способствует созда нию благоприятных пластических сдвигов слоев металла и его деформацион ному упрочнению.

Инструмент, реализующий способ импульсно-ударной обработки плос кой поверхности представлен на рис. 1.

Принцип работы инструмента состоит в следующем. Инструмент крепят, например, в резцедержателе продольно-строгального станка и подводят к обра батываемой плоской поверхности. Под действием сжатого воздуха, подводимо го от системы питания через осевой канал оправки 1 и тангенциальные сопла в стакане 6, приводящие 3 и деформирующие 4 элементы (шары) получают кру говое вращение, совершая орбитальное вращение вокруг оси инструмента с определенными скоростями. Пластическое деформирование обрабатываемой поверхности происходит за счет того, что в зоне обработки приводящие эле менты 3 наносят удары по деформирующим элементам 4, а те, в свою очередь, по поверхности заготовки. Вне зоны обработки контакт приводящих и дефор мирующих элементов исключен, т.к. линией расположения центров приводя щих элементов является окружность, а линия расположения центров деформи рующих элементов отлична от окружности.

Рис. 1. Инструмент для пневмовибродинамической обработки плоских поверхностей (типа направляющих станин) В результате импульсно-ударной обработки в зависимости от режимов обработки, аэродинамических характеристик подводящей пневмосистемы, кон структивных параметров инструмента образуется нерегулярный микрорельеф с сеткой лунок.

До настоящего времени в технической литературе отсутствуют сведения об оценке работоспособности инструментов для пневмовибродинамической об работки плоских поверхностей. В данной работе предлагаются научно обосно ванные методики оценки технического уровня разрабатываемого инструмента по КПД и энергоемкости рабочего процесса.

Методика определения КПД инструмента и подводящей системы для пневмовибродинамической обработки плоских поверхностей, учитывающая их аэродинамические характеристики.

КПД пневмоинструмента принято определять по формуле ПИ ПС i, (1) где i - внутренний КПД пневмоинструмета;

ПC - КПД подводящей системы, определяемая по уже известным зависимо стям.

Значительные трудности представляет собой определение внутреннего КПД пневмоинструмента. Для его определения были приняты следующие до пущения:

1) скорость движения шаров не зависит от их количества;

2) сила воздействия воздушного потока на любой из шаров одинакова и посто янна в любой точке траектории движения в кольцевой камере пневмоинстру мента;

3) шары движутся вдоль кольцевой камеры с постоянной скоростью;

4) приводящие шары не контактируют между собой.

В результате теоретических исследований была разработана математиче ская модель внутреннего КПД инструмента импульсно-ударного действия, как для наружных, так и для внутренних поверхностей 0,392 Сх 0,569 5,807 10 6 р2 316,94 ш 2 d ш ш i. (2) 158,97 М где C x - коэффициент лобового сопротивления шара-ударника;

р 2 - давление воздуха в камере расширения инструмента, Па;

- коэффициент расхода сопла;

ш - скорость шара-ударника, м/с;

316, ш, (3) d ш f1 f 1 72, Сх 0,569 5,807 10 6 р 2 R где R - радиус окружности расположения центров шаров-ударников в пневмо инструменте, м;

- коэффициент трения скольжения при трении приводящего шара по f стальному корпусу пневмоинструмента;

f 2 - коэффициент сопротивления при контактировании приводящего шара с деформирующими шарами (зависит от отношения длины участка контактиро вания к общей длине траектории движения центров приводящих шаров);

d ш - диаметр шара-ударника, м;

М - массовый расход воздуха, кг/с.

М 0,537 d с 2 zс р2 0,569 5,807 10 6 р2, (4) где d с - диаметр сопел, м;

z с - число сопел.

Для определения адекватности и значимости полученных математических моделей (2), (3) были проведены эксперименты для следующих условий: диа метры сопел 4,2 мм, сопла конические с коэффициентом расхода = 0,92;

чис ло сопел варьировалось от 4 до 10, давление сжатого воздуха в камере расши рения поддерживалось постоянным и составляло р2 = 245166 Па.

Проверка адекватности результатов математической зависимости осу ществлялась на основе дисперсионного анализа, путем оценки систематиче ской погрешности, вносимой математической зависимостью и случайной по грешности наблюдений. Уровень значимости принимали равным 0,05. В ре зультате дисперсионного анализа были установлены значимость и адекватность моделей (3), (4).

Результаты теоретических и экспериментальных исследований массового расхода и скорости движения шаров-ударников приведены на рис.2, 3.

Массовый расход воздуха (кг/с) 0, 0, 0, 0, 0, 4 6 8 Количество сопел Рис. 2. Зависимости массового расхода сжатого воздуха от количества сопел: 1 – теоретическая, 2 - экспериментальная Скорость шара-ударника (м/с) 0,01 0,02 0,03 0,04 0, Диаметр шара-ударника (м) Рис.3. Зависимости скорости движения шаров-ударников от их диаметров:

1 – теоретическая, 2 - экспериментальная Использование методики позволило разработать пневмонакатник, для ко торого КПД составил i 5,7%, что на 21% выше i инструмента-прототипа.

Методика оценки технической эффективности инструмента для пнев мовибродинамической обработки плоских поверхностей по энергоемкости ра бочего процесса, учитывающая его конструктивные параметры Суть методики состоит в оценке энергоемкости процесса по формуле Nм Птех.эф. (5), П где N м – мощность пневмопривода, необходимая для работы инструмента, П - эксплуатационная производительность инструмента;

Апол П (6), пол вред Т А А где Апол – полезная работа, переходящая в энергию пластических (остаточных) деформаций;

Атр –работа сил трения шаров-ударников о стенки направляющего канала;

Т – время обработки поверхности.

Энергоемкость у лучшей модели должна быть минимальной, а производи тельность – максимальной.

Работу сил, переходящую в тепловую, звуковую энергии и энергию упру гих деформаций, считаем одинаковой для всех конструкций инструментов и включаем как константу в работу полезных сил моделей.

Общая работа сил трения складывается из работы сил трения в рабочей и холостой зонах, для определения которых был выполнен кинематический ана лиз движения шара ударника в каждой из зон инструмента (рис. 4, 5) Атр Атр Ахол.

тр (7) раб н Z n Фe || OY Y Фк || OХ X 2 N N уд hs mg || OZ а Рис. 4. Схематическое сечение кольцевого канала движения шаров в рабочей зоне инструмента: 1- шар-ударник;

2 – шар-боек;

3 – обрабатываемая поверхность Работа сил трения в рабочей зоне 2 h Aтр. раб k mш n f sin g cos, (8) sin 2 n mш – масса шара-ударника;

g – ускорение свободного падения;

n – число циклов за один проход шара-ударника по направляющему каналу;

k – число шаров-ударников;

– угол наклона образующей конического рабочего канала шаров-ударников с горизонтальной плоскостью;

– радиус направляющей с учетом радиуса шара-ударника.

f – коэффициент трения скольжения шара-ударника о направляющую рабочего канала;

– круговая скорость вращения шара-ударника вокруг вертикальной оси сим метрии инструмента.

н Z n N Фe || OY Y N X mg || OZ 1 – шар-ударник;

2 – шар-боек Рис.5. Схематическое сечение кольцевого канала движения шаров в холостой зоне инструмента Работа сил трения в холостой зоне mш н f1 н 2 f 2 g н 2 cos k.

Aтр.хол (9) sin где f1 и f 2 – коэффициенты трения скольжения о боковую и нижнюю направля ющие;

н – средний радиус переносного движения шара-ударника.

Полезная работа ударных сил вычисляется по формуле Aпол N уд hS k, (10) где N уд – сила удара шара по обрабатываемой поверхности;

ш 2 mш sin sin N уд, (11) 2,943 5 mш 3 ш 4 2 Е Rб где Rб - радиус шара-бойка;

hS – средняя нормальная остаточная деформация обрабатываемой поверхности по глубине;

N уд 1,42 а 2, hS (12) 1,7 В k – число шаров-бойков в рабочем полукольце, а - размер полуоси отпечатка (радиус лунки) (Динник А.Н. Избранные труды. – Киев: Изд-во АН УССР, 1952. – 174 с.);

ш.

4 1 2 4 1 5 q1 q a Rб 5 1 5 (13) 16 E1 E Экспериментальная проверка зависимости (13) с использованием (3) для условий импульсно-ударной пневмовибродинамической обработки осуществ лялась при следующих условиях: диаметры сопел 4,2 мм, сопла конические с коэффициентом расхода = 0,92;

число сопел 10, давление сжатого воздуха в камере расширения составляло р2 = 245166 Па, диаметры шаров-бойков состав ляли 9,5мм. Скорость движения шаров-ударников изменяли, используя шары диаметрами 10 мм, 20 мм, 30 мм. Подача, которую осуществлял стол станка, составляла 63 мм/мин, зазор между торцом инструмента и обрабатываемой по верхности составлял 0,5 мм.

Результаты и расчетные значения, определенные по формуле (13) представлены на рис.6.

Для экспериментальной проверки влияния диаметров шаров-ударников Размер диаметра отпечатка (мм) 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0,01 0,02 0,03 0,04 0, Диаметр шара-ударника (м) Рис. 6. Зависимости диаметра отпечатка (лунки) от диаметров шаров-ударников:

1 – теоретическая, 2 - экспериментальная на глубину наклепанного слоя (12), которая является одним из значимых фак торов, существенно влияющих на эффективность ППД, была проведена обра ботка модельных образцов из серого чугуна СЧ 20 ГОСТ 1412-85 тонким эль боровым фрезерованием с последующей пневмовибродинамической обработ кой (диаметры шаров-ударников D = 20 мм, давление сжатого воздуха Р = 0, МПа, подача S = 63 мм/мин). Действительные значения глубины наклепанного слоя определяли экспериментально методом «косых срезов». Микротвердость по Виккерсу (Н) измеряли на приборе ПМТ-3 с использованием стандартной четырехгранной пирамиды с квадратным основанием.

Зависимость распределения микротвердости по глубине поверхностного слоя для диаметров шаров-ударников равных 20 мм, определенная эксперимен тально, представлена на рис. 7. Погрешность вычисленных по формуле (12) значений глубины наклепанного слоя не превышает 10% от экспериментальных величин.

МП а Н мм 0,0 0, 0, 0,3 0,4 0, 0, 0, 1 2 5 h Рис. 7. Зависимость распределения микротвердости по глубине поверхностного слоя образца после тонкого эльборового фрезерования с последующей пневмовибродинамической обработкой Рассмотрим методику на примере накатника- прототипа, в котором из-за несовершенства конструкции шары-ударники бьют по шарам-бойкам и в холо стой зоне. Количество шаров-ударников равно 16;

диаметр шара-ударника 20 мм, диаметр шара-бойка 9,5 мм. Время обработки поверхности принимаем равной 1 мин.

В результате вычислений были получены следующие значения:

N м 3401 Вт;

ш 9,545 м/с;

Атр 19,525 Дж;

Ахол 19,525 Дж;

Апол 20,95 Дж;

тр раб Птех.эф. = 9717 Вт.

Подставив полученные значения в (6) установим, что Апол 1 20,95 П 0, Апол Атр Т 20,95 19,525 19,525 Данное значение можно считать КПД инструмента, определенного с уче том конструктивных особенностей инструмента, учитывающие кинематические и динамические параметры процесса. Если перемножить КПД, учитывающий только аэродинамические параметры накатника с полученным КПД по формуле (2), то можно определить общий КПД накатника, т.е. 0,047 0,35 0,016 16 %.

Использование методики позволило внести изменения в конструкцию пневмонакатника, исключив контакт шаров-ударников с шарами-бойками в хо лостой зоне [14-17], что позволило повысить общий КПД инструмента до 26 % (1,6 раза) по сравнению с инструментом-прототипом Третья глава посвящена оценке технологических возможностей ИУ ПВДО. Разработанные математические модели пневмовибродинамической об работки показывают, что на шероховатость обработанных поверхностей наибольшее влияние оказывает давление сжатого воздуха в осевой полости ин струмента. Подача влияет лишь на плотность распределения лунок по поверх ности.

По результатам проведенных исследований были получены оптимальные режимы пневмовибродинамической обработки: давление сжатого воздуха в осевой полости инструмента Р = 0,15 МПа, подача s = 80 мм/мин, зазор между торцом инструмента и обрабатываемой поверхностью для горизонтальных по верхностей h = 0,6 мм, для наклонных (под углом 45) – h = 0,4 мм. В результа те обработки на обработанной поверхности образуется новый микрорельеф с шероховатостью Ra 1,25 мкм в виде сетки микролунок, являющихся одно временно «микроподшипниками» (при наличии жидкой смазки) и ловушками, ограничивающими миграцию продуктов износа и их разрушительное действие на поверхности трения новый микрорельеф.

Проведенный сравнительный анализ профилограмм обработанных по верхностей (рис.8) показывает преимущество поверхности после пневмовибро динамической обработки с точки зрения эксплуатационных свойств при гра ничном трении по сравнению с поверхностями после шлифования.

В четвертой главе для подтверждения эффективности новой технологии ремонта с использованием пневмовибродинамической обработки были прове дены триботехнические испытания модельных образцов заготовок направляю щих станин в условиях ИМИНМАША НАН Беларуси.

Установлено, что сухое шлифование образцов из серого чугуна приводит к перезакалке тонких поверхностных слоев и образованию в них остаточного аустенита, шлифовочных трещин, что приводит к возникновению усталостных трещин, нарушению целостности поверхности и интенсивному износу.

а) мкм - - - - 2.2793 m Mr Rk 13.45 % 0.8086 m Mr Rpk 85.33 % 1.6658 m Rvk б) мкм - - 4.9222 m Mr Rk 9.50 % 3.7642 m Mr Rpk 88.66 % 2.9303 m Rvk в) мкм - - - 3.3546 m Rk Mr1 7.64 % 1.2049 m Rpk Mr2 91.61 % 4.3548 m Rvk Рисунок 8 - Профилограммы и параметры Rvk, Rpk, Rk поверхностей, обработанных различными способами: а – «мокрым» шлифованием;

б – сухим шлифованием;

в – сухим шлифованием с последующей пневмовибродинамической обработкой Показано, что пневмовибродинамическая обработка образцов из серого чугуна приводит к увеличению их микротвердости до 3800-4000 МПа, сопро вождается измельчением частиц цементита и графита, а также приводит к уве личению плотности дислокаций в поверхностных слоях, «залечивает» микро трещины, присутствующие на поверхности после операций резания (шлифова ния, тонкой лезвийной обработки), что влияет на повышение износостойкости направляющих станин станков.

Триботехнические исследования показали повышенную стойкость к за диру рабочей поверхности, обработанной по новой технологии в отличие от по верхности после сухого шлифования.

В пятой главе приведены основные технико-экономические показатели технологии ремонта направляющих станин токарных станков с использованием лезвийной и упрочняющей обработки. Приведены результаты натурных испы таний на износ направляющих станин станков в условиях РУП завод «Могиле влифтмаш». Внедрение новой технологии ремонта направляющих позволяет повысить срок службы станка в 1,6 раза. Трудоемкость новой технологии ре монта снижена по сравнению с заводской в 2 раза. Из технологического про цесса ремонта исключается шабрение. Экономический эффект от использова ния новой технологии составляет 2,4 млн. руб. (в ценах 2004 г.) из расчета ремонтируемых станков в год. Срок окупаемости капитальных затрат, необхо димых для внедрения новой технологии составляет 3 года и 10 месяцев.

В приложении приведены копии актов контрольных испытаний, внедре ния новой технологии ремонта на РУП «Завод «Могилевлифтмаш», результаты натурных испытаний на износ направляющих станин станков в условиях РУП «Завод «Могилевлифтмаш», копии документов, подтверждающих экономиче ский эффект от внедрения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позво лили получить новые результаты и сделать следующие выводы:

1. Создан способ и разработана упрочняющая технология восстановления направляющих станин станков, заключающийся в том, что после чистовой и тонкой лезвийной обработки осуществляют упрочняющую импульсно-ударную пневмовибродинамическую обработку, реализованную новым инструментом – накатником, позволивший повысить срок службы станка в 1,6 раза. Трудоем кость технологии ремонта снижена по сравнению с традиционно применяемой в 2 раза [1-3, 8, 12].

2. Установлена зависимость влияния конструктивных параметров инстру мента на особенности пластического деформирования поверхности, позволив шая разработать способ и усовершенствованную конструкцию накатника для импульсно-ударной пневмовибродинамической обработки плоских поверхно стей [14-17], производительность которого по сравнению с инструментом про тотипом повысилась в 1,5 раза, расход сжатого воздуха снизился в 2,5 раза, об щий КПД составил 26%, что в 1,6 раза выше, чем у накатника-прототипа. Пока зано на основе разработанных методик оценки эффективности накатников для импульсно-ударной пневмовибродинамической обработки плоских поверхно стей по КПД и энергоемкости рабочего процесса, что КПД накатника близок к традиционно применяемым пневмовинструментам, и в сравнении с надежно стью электроинструментов им не уступает [6, 9, 10, 11].

3. Исследованы технологические возможности нового способа упрочня ющей обработки направляющих из чугуна СЧ20 ГОСТ 1412-85. Установлено, что при давлении сжатого воздуха в осевой полости инструмента Р = 0,15 МПа, подаче s = 80 мм/мин достигается шероховатость поверхности Ra 1,25 мкм, точность направляющих соответствует нормативами, приведенными в ГОСТ 18097-93 [8].

4. Показана предпочтительность новой технологии при формировании эксплуатационных свойств поверхности в сравнении с поверхностями, обрабо танными сухим шлифованием. Триботехническими исследованиями установле но, что тонкое эльборовое фрезерование с последующей пневмовибродинами ческой обработкой сопровождается измельчением частиц цементита и графита, а также приводит к увеличению плотности дислокаций в поверхностных слоях, что свидетельствует об упрочнении поверхностного слоя;

обеспечивает повы шение износостойкости направляющих станин станков: в сравнении с мокрым шлифованием в 1,5 раза, с тонким фрезерованием – в 2 раза [4, 5, 13].

5. Технология восстановления направляющих внедрена на РУП завод «Могилевлифтмаш». Срок окупаемости капитальных затрат, необходимых для внедрения при ремонте 13 станков токарной группы в год составляет 3 года и 10 месяцев. Годовой экономический эффект от внедрения составил 2,4 млн.

руб. (в ценах 2004 г.) [7].

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Минаков А.П. Современные способы ремонта направляющих станин станков /А.П. Минаков, И.Д. Камчицкая // Сб. науч. тр. чл. Междунар. Балтий ской ассоц. машиностр. – Калининград: КГТУ, 2001. – №1.– С. 62-68.

2. Минаков А.П. Основные параметры качества поверхности по DIN и их влияние на её эксплуатационные свойства / А.П. Минаков, И.Д. Камчиц кая, С.А. Жигунов // Сб. науч. тр. чл. Междунар. Балтийской ассоц. машиностр.

– Калининград: КГТУ, 2001. – №1.– С. 26-28.

3. Минаков А.П. Повышение эксплуатационных свойств пар трения им пульсно-ударной пневмовибродинамической обработкой (ПВДО) / А.П. Мина ков, И.Д. Камчицкая// Перспективные технологии, материалы и системы: Сб.

науч. тр.– Могилев: МГТУ, 2003.- С. 206-209.

4. Минаков А.П. Динамика трансформации технологических поверхност ных слоев контактирующих поверхностей в процессе трения / А.П. Минаков, И.Д. Камчицкая // Сб. науч. тр. чл. Междунар. Балтийской ассоц. машиностр. – Калининград: КГТУ, 2003. – №3.– С. 71-72.

5. Камчицкая И.Д. Влияние различных способов обработки на структуру поверхностного слоя образцов рабочих поверхностей направляющих станин станков / И.Д. Камчицкая // Вестник МГТУ, № 1 (6), 2004 г. - С. 55-59.

6. Минаков А.П. Методика определения КПД инструмента и подводящей системы для импульсно-ударной пневмовибродинамической обработки (ИУ ПВДО) плоских поверхностей / А.П. Минаков, О.В. Ящук, И.Д. Камчицкая// Перспективные технологии, материалы и системы: Сб. науч. тр.– Могилев:

МГТУ, 2005.- С. 224-229.

7. Камчицкая И.Д. Технико-экономическая эффективность новой техно логии ремонта направляющих станин токарных станков / И.Д. Камчицкая // Сб.

науч. тр. чл. Междунар. Балтийской ассоц. машиностр. – Калининград: КГТУ, 2005. – №3.– С. 28-30.

8. Камчицкая И.Д. Влияние упрочняющей импульсно-ударной пневмо вибродинамической обработки на эксплуатационные свойства рабочих поверх ностей направляющих станин станков / И.Д. Камчицкая // Вестник МГТУ, № 1(10), 2006 г. - С. 82-86.

9. Минаков А.П. Методика оценки технической эффективности инстру мента для пневмовибродинамической обработки плоских поверхностей по энергоемкости рабочего процесса / А.П. Минаков, И.Д. Камчицкая // Вестник МГТУ, № 1(10), 2006 г. - С. 177-182.

10. Минаков А.П. Инструмент для упрочняющей обработки плоских по верхностей / А.П. Минаков, И.Д. Камчицкая // Создание и применение высоко эффективных наукоемких ресурсосберегающих технологий, машин и комплек сов: Мат. междунар. науч.-техн. конф. – Могилев: МГТУ, 2001. – С.64 – 65.

11. Камчицкая И.Д. Определение механической эффективности инстру мента для пневмовибродинамической импульсно-ударной упрочняющей обра ботки плоских поверхностей / И.Д. Камчицкая // Современные технологии, ма териалы, машины и оборудование: Мат. междунар. науч.-техн. конф. – Моги лев: МГТУ, 2002. – С. 67.

12. Минаков А.П. Совершенствование технологии ремонта направляю щих станин станков / А.П. Минаков, И.Д. Камчицкая // Прогрессивные техно логии, машины и механизмы: Мат. междунар. науч.-техн. конф. – Калинин град: КГТУ, 2002. – С. 10-11.

13. Кукареко В.А. Исследование триботехнических характеристик кон тактирующих поверхностей пар трения после различных способов финишной обработки / В.А. Кукареко, И.Д. Камчицкая // Материалы, оборудование и ре сурсосберегающие технологии: Мат. междунар. науч.-техн. конф. – Могилев:

Белорусско-Российский университет, 2004. – С. 56-57.

14. Патент Республики Беларусь № 482, заявка № u 20010213, МПК B 24B 39/06. Инструмент для пневмовибродинамической обработки / Минаков А.П., Ящук О.В., Камчицкая И.Д.;

Заявл. 16.08.2001.;

Опубл. 30.03.2002.

15. Свидетельство на полезную модель Российской Федерации № 28460, заявка № 2002106892, МПК B 24B 39/06. Инструмент для пневмовибродинами ческой обработки плоских поверхностей / Минаков А.П., Ящук О.В., Камчиц кая И.Д.;

Заявл. 18.03.2002;

Опубл. 27.03.2003.

16. Свидетельство на полезную модель Российской Федерации № 36788, заявка № 2003134747, МПК B 24B 39/06. Инструмент для пневмовибродинамической обработки плоских поверхностей / Минаков А.П., Ящук О.В., Камчицкая И.Д.;

Заявл. 01.12.2003;

Опубл. 27.03.2004.

17. Патент Республики Беларусь № 1373, заявка № u20030412, МПК B 24B 39/06. Инструмент для пневмовибродинамической обработки плоских поверхностей/ Минаков А.П., Ящук О.В., Камчицкая И.Д.;

Заявл. 23.09.2003.;

Опубл. 30.06.2004.

РЕЗЮМЕ Камчицкая Ирина Дмитриевна Упрочняющая технология восстановления направляющих станин станков на основе лезвийной и пневмовибродинамической обработки Ключевые слова: направляющие станины станка, износостойкость, упрочнение, импульсно-ударная пневмовибродинамическая обработка.

Объект исследований: направляющие станин токарных станков нор мальной точности.

Цель работы: разработка эффективной технологии восстановления направляющих станин токарных станков нормальной точности, обеспечиваю щей снижение трудоемкости и повышение износостойкости направляющих им пульсно-ударной пневмовибродинамической обработкой.

При проведении исследований использовались методы математического моделирования ударного процесса с использованием ЭВМ, методы корреляци онного и регрессионного анализа.

На основе математических зависимостей, определяющих силу удара, глу бину упрочненного слоя, разработаны методики оценки технической эффек тивности инструментов для импульсно-ударной пневмовибродинамической об работки по коэффициенту полезного действия и энергоемкости рабочего про цесса.

На основе исследований фазового состава, микротвердости поверхностных слоев модельных образцов заготовок направляющих станин станков (СЧ ГОСТ 1412-85), установлено, что ИУ ПВДО приводит к увеличению микро твердости, сопровождается измельчением частиц графита и цементита, а также приводит к увеличению плотности дислокаций в поверхностных слоях.

Разработан способ восстановления направляющих станин станков, за ключающийся в том, что после чистовой и тонкой лезвийной обработки осу ществляют упрочняющую пневмовибродинамическую обработку. Получены положительные результаты натурных испытаний направляющих станин токар ных станков мод. 16К20Ф3, восстановленных по новой технологии в условиях РУП завод «Могилевлифтмаш», показавшие повышение срока службы станков в 1,6 раза, снижение трудоемкости ремонта в 2 раза по сравнению с заводской технологией ремонта (сухим шлифованием с последующим подшабриванием поверхности).

РЭЗЮМЕ Камчыцкая Iрына Дзмiтрыеуна Умацоваючая тэхналогiя адналення накiравальных станiн станко на аснове рэжучай i пнемовiбрадынамiчнай апрацокi Ключавыя словы: накiравальныя станiны станка, зносастойкасць, умацованне, iмпульсна-ударная пнемовiбрадынамiчная апрацока.

Объект исследований: накiравальныя станiн такарных станко нармальной дакладнасцi.

Мэта работы: распрацока эффектынай тэхналогii адналення накiравальных станiн такарных станко нармальной дакладнасцi, з забеспячэннем паняжэння працаёмiстасцi и павялiчвання зносастойкасцi накiравальных iмпульсна-ударнай пнемовiбрадынамiчнай апрацокай.

Пры правядзеннi даследвання выкарыстовалiся метады матэматычнага мадэлiравання ударнага працэса з выкарыстованнем ЭВМ, метады карэляцыйннага i рэгрэсiйнага аналiза.

На падставе матэматычных залежнасцей, вызначаючых сiлу удара, глыбiню умацованага слоя, распрацаваны методыкi ацэнкi тэхнiчнай эффектынасцi iнмтрумента для iмпульсна-ударнай пнемовiбрадынамiчнай апрацокi па каэфiцыенту палезнага дзеяння i энергаёмiстасцi рабочага працэса.

На падставе даследавання фазавага складу, мiкрацвёрдасцi павярхоных слаё мадэльных абразцо загатовак накiравальных станiн станко (СЧ ДАСТ 1412-85), высветлена, што iмпульсна-ударная пнемовiбрадынамiчная апрацока павялiчвае мiкрацвёрдасць, суправаджаецца драбленнем частак графiта и цеменцiта, вядзе к павелiчэнню плотносцi дiслакацый у павярхоных слаях.

Распрацаваны спосаб адналення накiравальных станiн станко, якi заключаецца тым, што пасля чыставого i тонкага фрэзеравання фрэзой з эльборавай устакай, ажыццяляюць умацоваючую пнемовiбрадынамiчную апрацоку. Атрыманы здавальняючыя вынiкi натурных iспыта накiравальных станiн такарных станко мад. 16К20Ф3, адналённых па новай тэхналогii на РУП завод «Магiлёлiфтмаш», якiя сведчаць аб павелiчэннi тэрмiна службы станко у 1,6 раза, паняжэннi працаёмiстасцi рамонта 2 раза у парананнi з заводской тэхналогiяй рамонта (сухiм шлiфаваннем з шабрэннем).

RESUME Kamchytskaya Iryna Dmitrievna Hardening technology of the machine-tool bed ways repair on the base of milling and pneumovibrodynamic working Key words: the machine-tool bed ways, wear resistance, hardening, impulse impact pneumovibrodynamic working.

Research object: the lathe bed ways of normal accuracy.

The aim of work: The effective technology of the machine-tool bed ways re pair, ensuring decrease of time for processing and increase wear resistance ways im pulse-impact pneumovibrodynamic working was created.

At realization of researches the methods of mathematical modeling of shock process with use of the computer, methods correlation and of the regression analysis were used.

On the basis of mathematical dependences determining force of impact, depth of strain strengthening layer surface, the techniques of an estimation of technical effi ciency of tools for impulse-impact pneumovibrodynamic working on efficiency and power consumption of working process are developed.

On the basis of researches of phase structure, micro-hardness of surface layers of modelling samples of preparations the machine-tool bed ways (grey cast iron СЧ 20 GOST 1412-85), is established, that impulse-impact pneumovibrodynamic working results in increase of micro-hardness, is accompanied by crushing of parti cles of graphite and cementit, and also results in increase of density dislocations in surface layers.

The mean of the machine-tool bed ways repair concluding is developed that af ter fair and thin milling carry out hardening impulse-impact pneumovibrodynamic working. The positive results of tests of the machine-tool bed ways of model 16К20Ф3, restored on new technology in conditions RUP "Mogilevliftmash", shown increase of service life of machine tools in 1,6 times, decrease of time for repair pro cessing in 2 times in comparison with factory technology of repair (dry grinding with subsequent scraping of a surface).

КАМЧИЦКАЯ Ирина Дмитриевна УПРОЧНЯЮЩАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ НАПРАВЛЯЮЩИХ СТАНИН СТАНКОВ НА ОСНОВЕ ЛЕЗВИЙНОЙ И ПНЕВМОВИБРОДИНА МИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ 05.02.08 - Технология машиностроения АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Подписано в печать. Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная.

Усл.печ.л. 1,4. Уч.-изд.л. 1,54. Тираж 75 экз. Заказ № Издатель и полиграфическое исполнение:

Государственное учреждение высшего профессионального образования «Белорусско-Российский университет» Лицензия ЛВ № 02330/375 от 29.06.2004 г.

212005, г. Могилев, пр. Мира,